Ультразвуковая сварка пластиков
Технология ультразвуковой сварки для термопластичных материалов
Благодаря высокой скорости обработки и сварки эта технология в основном используется для крупносерийного производства в автомобильной, электронной, медицинской, упаковочной, фильтровальной и обрабатывающей промышленности.
Хорошие результаты сварки (с точки зрения прочности, герметичности и внешнего вида) могут быть достигнуты только в том случае, если материал и конструкция детали подходят для ультразвукового процесса.
Для достижения стабильно хороших результатов сварки важно, чтобы инженер-конструктор соединяемых деталей с самого начала «думал об ультразвуке». Таким образом, инженер избегает проблем в производстве компонентов уже на предварительных этапах. Также проектировщики пресс-форм и инструментов для экструзии должны учитывать все аспекты, связанные со сваркой. Внесение изменений на более поздних этапах может оказаться очень дорогостоящим и сказаться на длительности процесса. Для выбора конструкций, подходящих для ультразвуковой сварки, требуются знания процессов и технологий соединения, а также свойств самих материалов.
Генерация ультразвуковых колебаний
Ультразвуковой генератор преобразует переменное напряжение в высокочастотное напряжение от 20 до 35 кГц. В преобразователе это конвертируется в механические колебания при помощи кристаллического пьезоэлектрического эффекта. Сварочный инструмент, называемый волноводом, опускается на компонент и передает колебания в зону соединения. Например, при частоте ультразвука 20 кГц это означает 20000 движений в секунду.
Возникающая теплота трения плавит материал непосредственно в точке контакта обеих частей. Благодаря низкому энергопотреблению детали подвергаются низкой термической нагрузке. Сварочные инструменты практически не нагреваются. Сварные детали можно использовать сразу же, а это означает, что ультразвуковые системы (или ультразвуковые модули) также могут быть легко интегрированы в линии автоматизации.
Технология ультразвуковой сварки. Сварка за считанные секунды
Процесс
В процессе ультразвуковой сварки механические колебания ультразвуковой частоты передаются свариваемым материалам с определенной амплитудой, силой и продолжительностью. Молекулярное трение и трение пограничного слоя генерируют тепло, которое повышает коэффициент затухания материала. Пластик начинает плавиться на энергетическом директоре. Поскольку коэффициент затухания пластифицированного материала увеличивается, большая часть энергии вибрации преобразуется в тепло. Эта реакция ускоряется сама по себе. Как только фаза ультразвуковых колебаний закончится, необходима короткая фаза охлаждения вместе с давлением на шов. Это нужно для однородного затвердевания расплавленного материала. Впоследствии детали, соединенные с использованием тепловой энергии, можно сразу же использовать.
Ядром системы ультразвуковой сварки является волновой тракт. Он состоит из пьезоэлектрического преобразователя, усилителя и волновода. Волновой тракт работает с определенной ультразвуковой частотой. Возникающие колебания представляют собой продольные волны. Перемещение сварочного инструмента, то есть расстояние между положением пика и положением покоя, называется амплитудой. При ультразвуковой сварке амплитуда составляет от 5 до 50 мкм. Для сравнения, диаметр человеческого волоса всего 100 мкм. Перемещение инструмента незаметно, но его можно почувствовать и услышать на более низкой частоте.
Свойства пластмасс. Важные характеристики
Передача энергии
Твердые аморфные пластмассы (например, PC или ABS) обладают идеальными характеристиками для передачи ультразвуковой энергии. Колебания передаются на большие расстояния до места соединения. В сравнении, у полукристаллических пластмасс (например, PA или POM) имеется высокий коэффициент акустического затухания, который значительно ослабляет передаваемые колебания. Следовательно, эти материалы можно сваривать только с использованием волновода.
Характеристики и свойства
Эти две группы пластмасс отличаются типом потребляемой энергии. Аморфные термопласты не имеют определенной температуры плавления и обычно требуют меньше энергии. По мере повышения температуры в зоне сварного шва материал переходит из твердого состояния в расплавленное. Полукристаллический пластик требует большего количества энергии и мощности. Содержание влаги особенно важно для полукристаллического пластика PA. Больше влаги создает большее затухание и, следовательно, снижает свариваемость. Стекловолокно, с другой стороны, положительно влияет на полукристаллический пластик.
Параметры сварки для оптимальной производительности
Параметры процесса
Большим преимуществом ультразвукового процесса с замкнутым циклом является диапазон возможных параметров и их точная настройка. Используя более точную настройку параметров, вы достигнете:
- оптимальную скорость соединения для хорошей сварки
- стабильные результаты
Важные параметры сварки:
- частота
- амплитуда
- сила сварки
- сила срабатывания
- критерии отключения (например, расстояние или время сварки)
Оптимизированная настройка. Один процесс, много решений.
Волновод / частичный контакт
Сварочный инструмент (волновод) должен иметь подходящую геометрическую форму и одновременно возможность эффективно вибрировать. Контактная поверхность волновода всегда должна быть как можно ближе к треугольному сектору, чтобы ультразвуковые волны не теряли интенсивности при прохождении через пластик.
Крепеж
Крепеж так же важен, как и геометрия волновода. Он должен выдерживать нагрузки во время сварки и надежно удерживать компоненты на месте. Правильный выбор материала для крепежа гарантирует высокое качество сварного шва. Сварное соединение всегда должно иметь надлежащую опору, чтобы не было деформации под нагрузкой, и чтобы амплитуда эффективно передавалась ко шву.
Варианты соединения
Существует четыре различных варианта соединения:
- Классическая сварка двух пластиковых компонентов с помощью треугольного сектора
- Приваривание компонента из другого материала к термопластику
- Вставка резьбовых вставок в пластмассовые детали
- Вставка нетканых материалов или несовместимых материалов в термопластичные детали